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基于ARM的PM2.5检测器的设计
瞿爱玲1、马长乐2、梁秋炎1、刘红梅1、李荣1
1、北京农业职业学院，北京102442
电子邮件:71629@bvca.edu.cn
2、佳木斯大学，机械工程系，中国，黑龙江，佳木斯154007
电子邮件:liangqiuyan81@qq.com
摘要:基于ARM技术，采用PM2.5激光传感器设计了PM2.5探测器。该探测器可实时检测当前环境中PM2.5的浓度，具有语音播报、LCD实时显示、空气质量水平LED等三项功能。
关键词:ARM;PM2.5;声音广播;液晶显示;LED灯报警
1、概述
雾霾是环境病态的反映。烟雾已成为最困难的环境问题在北京和其他城市在中国,随着经济的快速发展我国近年来,PM2.5颗粒严重影响我们的生活和健康,吸入过多的PM2.5颗粒可以诱发多种疾病,如肺癌。为了获得实时的PM2.5浓度，采取有效措施，可以预防和减少PM2.5对人体健康的威胁。目前，主要的PM2.5检测方法有称重法、射线法、振荡平衡法、射线浊度法和光散射法。该方法是一种传统的测量方法，其测量速度慢，需要人工干预。光散射法具有适用性广、物理参数少等优点，可用于测量粒径分布，且速度快。它已成为粒子探测器的首选方法[1]。PM2.5实时检测是有效预防和控制PM2.5污染的前提和重要保证[2]。
2、系统整体架构
设计的PM2.5检测器由ARM控制单元、PM2.5传感器单元、LCD屏显示单元、语音组成。
这项工作得到了北京农业研究基金会的资助，资助的是XY-YF-16-40。
实时广播单元，外部事件触发单元和空气质量级LED报警灯单元。这种具有多重传感功能的PM2.5探测器，已被设计用于满足不同领域和不同用户的要求，更加关注社会的弱势群体。系统的整体功能框图如图所示。
图l系统整体框图
可实时检测PM2.5和pm10浓度，检测结果显示在LCD上。如果按下外部触发按钮，可以对当前环境PM2.5和pm10浓度进行广播，当PM2.5浓度超过200(ig/m3)时，探测器的红色LED灯将警告严重的空气污染。
3、系统硬件设计
3.1、ARM控制单元的硬件设计
ARM控制单元采用LM3S9B96芯片为CPU处理器单元，CPU处理器单元的硬件设计包括电源电路、时钟电路、复位电路、JTAG仿真接口和SDRAM单元等。
LM3S9B96控制单元的硬件原理图如图2所示。
图2 ARM控制单元的硬件原理图
为了设计供电电路，我们必须考虑LM3S9B96芯片的双电压供电特性，我们必须同时提供 1.2V电压和 3.3V电压给ARM控制单元的供电电路。该电源电路采用FAN2558S12X芯片，将 5V输入电压转换为 1.2V电压，采用ADS2830-3.3芯片将 5V输入电压转换为 3.3V电压。
有三种时钟电路，包括晶体电路、晶体振荡电路和可编程时钟芯片电路。时钟电路为LM3S9B96提供了系统时钟和网络时钟，系统时钟外部晶体振荡器为16MHz，最大频率为80MHz，乘以内部PLL，网络时钟为25MHz。
复位电路采用外部复位按钮实现低电平有效复位。
JTAG接口符合IEEE 1149.1标准，采用标准的20针JTAG端口，TDI, TMS?TCK和TDO与10K电阻器的外部连接[3]。
LM3S9B96通过EPI总线有一个外部8M SDRAM内存来存储数据或图像。
3.2、PM2.5传感器单元的硬件设计
PM2.5传感器单元采用PMS70XX系列超薄数字通用颗粒浓度传感器，可用于获得空气中每单位体积悬浮颗粒的数量，是粒子浓度，具有数字输出接口。该传感器采用激光散射原理，在激光辐照悬浮粒子时产生散射。同时，传感器以特定的角度收集散射光，得到散射强度和时间曲线。然后基于Mie理论(Mie)算法，微处理器得到了粒子的当量直径和单位体积的粒子数。PM2.5传感器可以检测PM2.5的浓度和pm10浓度。
PM2.5传感器与LM3S9B96芯片通过UARTO端口连接，实现LM3S9B96芯片与PM2.5传感器之间的数据通信。PM2.5传感器的电压为 5V。硬件连接如图3所示。
图3 LM3S9B96芯片和PM2.5传感器连接图
3.3、液晶显示单元的硬件设计
液晶显示单元采用3.5寸TFT液晶屏，320x240像素，260,000色，支持触摸功能。作为PM2.5探测器的显示装置，它显示了实时信息。TFT液晶屏由LM3S9B96的GPIO引脚控制。
3.4、外部事件触发器的硬件设计
外部事件触发单元采用外部触发按钮，在按下外部按钮后生成低电平，然后外部事件触发单元用语音广播实时环境参数。低水平断裂检测是通过LM3S9B96 GPIO的PJ7引脚进行的。
3.5语音实时广播单元的硬件设计
实时语音广播单元采用XFS5152CE芯片。XFS5152CE是一个高度集成的语音合成芯片，可以实现中文和英文语音合成;语音编码和解码功能集成，用户可以录制和播放声音。轻量级类语音识别功能是创新集成的，它支持30个命令，支持用户对命令的要求。XFS5152CE芯片提供了三种硬件接口，包括SPI、I2C和UART，方便用户开发硬件。语音实时广播单元与LM3S9B96芯片的UART1连接。他们通过串口进行通信，硬件连接如图4所示。
LM3S9B96 XFS5152
图4 LM3S9B96和XFS5152连接图
3.6、空气质量水平LED报警装置的硬件设计
空气质量水平LED预警单元由LM3S9B96 GPIO口的PF3、PF2和PF1分别控制的红色、黄色和绿色LED灯组成。当空气质量良好时，绿色LED灯，当空气质量为光污染时黄色LED灯，当空气质量严重污染时红色LED灯。
4、系统软件设计
采用KEIL4编译器软件环境开发软件程序，软件程序用C语言编写。采用皮层M3系列芯片的API库功能，缩短了程序开发周期[4]。系统软件编程完成后，将硬件和软件等系统进行调试，直至实现功能良好。系统软件实现流程图如图5所示。在系统初始化和外围初始化后，检测到pm2_5粒子。当广播按钮触发时，系统进行PM2.5浓度的语音播报。当XFS5152芯片检测到广播内容时，中断返回，下一个测量开始。
5、实验结果
实验地点选在北京市房山区2016年7月24日北京农业职业学院办公楼北楼室外。我们比较了我们设计的PM2.5检测器和北京市环境保护监测中心官方网站发布的PM2.5浓度(更新1小时)的PM2.5浓度，比较了5组不同时间的PM2.5浓度数据，对比结果见表1。、
在表1中，实验数据为单次测量，PM2.5浓度每分钟更新一次。通过对上述表格中数据的比较，可以得出设计的PM2.5检测精度较高的结论，误差在 5% -5%之间。
|
实验参数 |
次数 |
时间 |
测试结果Hg/m3 |
官方结果Hg/m3 |
误差 |
|
PM2.5 |
1 |
8：00am |
59 |
59 |
0% |
|
2 |
9：00am |
64 |
65 |
-1.5% |
|
|
3 |
10：00am |
70 |
68 |
2.9% |
|
|
4 |
12:00am |
98 |
95 |
3.1% |
|
|
5 |
13:00pm |
112 |
108 |
3.7% |
6、结论
基于ARM的PM2.5检测系统可以实时检测大气环境中的PM2.5浓度。它有三种功能:实时PM2.5数据LCD显示，PM2.5数据语音播报和。
参考文献
[1]王建荣，邱玄兵。基于物联网的大气环境PM2.5实时监测系统[J]，河南师范大学学报(自然科学版)。43(6);降价,2015年。^
[2]任建，李晨康，东敏。基于嵌入式芯片的PM2.5和有害气体智能监测与净化系统设计[J] .江苏科技信息。(6):67 - 69年,67年。
[3]lm3s9b96单片机数据表，德州仪器公司，1-1399,2012。
[4]外围驱动程序库用户指南,德州仪器公司,398年1 - 398。
由于官方监测点和监测位置不同，存在误差，检测结果反映了真实环境PM2.5浓度。
空气质量水平LED警告，适用于不同用户。该检测器具有检测精度高、性价比高、工作稳定可靠等优点，具有实用价值和推广价值。
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